منبع تحقیق درمورد یونها، آشکارساز، جفتهای، آشکارسازهای

الکترودهای مثبت و منفی است. الکترودها به پتانسیلی که میتواند در محدوده کمتر از صد ولت تا چند هزار ولت تغییر کند متصل میشوند. انتخاب ولتاژ به طراحی و نوع عملکرد آشکارساز بستگی دارد. تولید و حرکت جفتهای بار که ناشی از عبور تابش در گاز بوده است باعث ایجاد آشفتگی در میدان الکتریکی خارجی اعمال شده و تولید پالس در الکترودها میشود. بار، جریان یا ولتاژی که در آخر نتیجه میشود را میتوان در انتهای یکی از الکترودها اندازه گرفت و در صورت استفاده از کالیبراسیون مناسب میتوان اطلاعاتی را از انرژی و شدت پرتو نیز به دست آورد. واضح است که سیستم در صورتی بازده خوبی دارد که نه تنها تعداد زیادی جفتهای بار تولید شود بلکه به آسانی قبل از اینکه بازترکیب شوند و مولکول خنثی تولید کنند، جمع شوند.
انتخاب نوع گاز، هندسه آشکارساز و پتانسیل اعمال شده، عواملی هستند که تولید جفتهای بار و حرکت آنها را کنترل میکنند[3].

تولید جفتهای الکترون – یون

هنگامی که تابش با ذرات موجود در گاز برهمکنش میکند ممکن است مولکولها را برانگیخته یا یونیزه کند. مکانیزمهای متفاوتی وجود دارد که این برهمکنشها میتوانند اتفاق بیفتند. این مکانیزمها کاملاً توسط کمیتهای آماری، مانند سطح مقطع و توان توقف قابل پیشبینی هستند. کمیّت مهم دیگر ( حداقل برای آشکارسازهای تابشی ) میانگینِ انرژی لازم برای تولید جفت الکترون – یون در گاز است. این انرژی به عنوان w-value شناخته میشود.
بارهایی که توسط تابش ورودی تولید میشوند، بارهای اولیه نامیده میشوند، این نامگذاری به این دلیل است که با بارهایی که به صورت غیر مستقیم در حجم فعال تولید میشوند اشتباه گرفته نشوند. تولید جفتهای بار اضافی شبیه تولید بارهای اولیه است، با این تفاوت که این بارها توسط تابش ورودی تولید نمیشوند بلکه به وسیلهی یونیزاسیونهایی که توسط بارهای اولیه به وجود میآیند تولید میشوند.
برای تعیین تعداد جفتهای بار کل (n_t) و اولیه (n_p) در مخلوطی از گازها، قانون ترکیب به صورت زیر است:
n_t=∑_i▒x_i ((〖dE/dx)〗_i )/w_i
و
(2-2) n_p=∑_i▒〖x_i n_(p,i) 〗

dE/dx به توان توقف و i به i امین گاز در مخلوط گاز با کسر حجمی x_iمربوط میشود.

انتشار و حرکت بارها در گاز

الکترونها و یونهای تولید شده توسط تابش خیلی سریع انرژیشان را توسط برخوردهای متعدد با ملکولهای گاز از دست میدهند. حرکت بارها در گاز به طور قابل ملاحظهای به نوع و قدرت نیرویی که تجربه میکنند بستگی دارد، رفتار این بارها در حضور یا عدم حضور میدان الکتریکی بسیار متفاوت است.

انتشار در عدم حضور میدان الکتریکی
در عدم حضور میدان الکتریکی خارجی، الکترون و یونها دارای انرژی E هستند که توسط تابع توزیع انرژی ماکسول مشخص میشوند [4]
f(E)= 2/√ᴨ 〖(KT)〗^((-3)/2) √E e^((-E)/KT) ,
که K ثابت بولتزمن و T دمای مطلق است.
میانگین انرژی بارها که از این توزیع ماکسول بدست میآید به صورت زیر است:
¯E= 3/2 KT
که این انرژی میانگین در دمای اتاق تقریبا 0.04 الکترون ولت است.
هنگامی که میدان الکتریکی خارجی وجود ندارد هیچ جهت برتری برای حرکت بارها در مخلوط گاز همگن وجود ندارد، بنابراین انتشار همگرا است. در هر جهت x انتشار را میتوان توسط توزیع گاوسی توصیف کرد:
dN= N/√4ᴨDt e^((-x^2)/4Dt) dx
که N تعداد کل بارها و D ضریب انتشار است و در واحد 〖Cm〗^2/s گزارش میشود. این رابطه تعداد بارهای dNرا که میتوان در المان dxدر فاصلهی x از مرکز توزیع بار اولیه بعد از زمان t پیدا کرد نشان میدهد.
الکترونها به دلیل داشتن جرم کم، سریعتر منتشر میشوند، این موضوع را نیز میتوان توسط سرعتهای گرمایی الکترونها و یونها که تفاوتهایشان در دو یا سه مرتبه است، درک کرد. بنابراین ضریب انتشار برای الکترونها در مقایسه با یونها در همان گاز بسیار متفاوت است، همچنین وابستگی ضریب انتشار به گازی که یونها در آن حرکت میکنند پیچیدگی بیشتری بوجود میآورد. علاوه بر این استفاده از گازهای مخلوط در پر کردن محفظه نیز میتواند خصوصیات انتشار را تغییر دهد، در چنین حالتی مقدار حقیقی ضریب انتشار به نوع و غلظت گازهایی که استفاده میشود مربوط میشود. مقدار ضرایب انتشار برای گازهای مختلف و مخلوط گازها که به صورت تجربی بدست آمدهاند و توسط چندین نویسنده گزارش شدهاند در ‏جدول (2-1) آورده شده است.

مسیر آزاد میانگین λ، ضریب انتشار D، روان روی µ یونها در گازهای خودشان تحت شرایط استاندارد دما و فشار
μ(〖Cm〗^2 s^(-1) V^(-1))
D(〖Cm〗^2/s)
λ(×〖10〗^(-5) Cm)
Gas
13.0
0.34
1.8
H_2
10.2
0.26
2.8
He
1.7
0.04
1.0
Ar
2.2
0.06
1.0
O_2
0.7
0.02
1.0
H_2 O

انتشار در حضور میدان الکتریکی
در حضور میدان الکتریکی انتشار دیگر همسانگرد نیست، بنابراین نمیتوان آن را توسط ضریب انتشار اسکالر توصیف کرد. ضریب انتشار در این حالت یک تانسور با دو مؤلفه غیر صفر است، یک مؤلفه طولی D_L و یک مؤلفه عرضیD_T. برای بسیاری از گازها ضریب انتشار طولی D_L کمتر از ضریب انتشار عرضی D_T است [4].
در آشکارسازهای گازی، از گاوسی شدن توزیع انرژی بارها نمیتوان مطمئن بود، د
لیل آن ولتاژ بایاس اعمال شده است، که یک میدان الکتریکی را درون حجم فعال ایجاد میکند. الکترونها به دلیل داشتن جرم کم نیروی الکتریکی قوی ای را تجربه میکنند و در نتیجه توزیع انرژیشان از شکل ماکسولی منحرف میشود، از طرف دیگر اگر میدان الکتریکی به اندازه کافی زیاد نباشد تا تخلیه الکتریکی صورت گیرد توزیع یونها به طور قابل ملاحظهای تحت تأثیر قرار نمیگیرد [3]. رفتار الکترونها و یونها در حضور میدان الکتریکی با یکدیگر کاملاً متفاوت هستند پس باید به طور مجزا مورد بررسی قرار بگیرند.

حرکت یونها

در آشکارسازهای گازی شکل و دامنه پالس نه تنها به حرکت الکترونها بلکه به حرکت یونها نیز بستگی دارد، یونها بار مثبت دارند و بسیار سنگینتر از الکترونها هستند، بنابراین حرکت آنها بسیار آهستهتر است. در اکثر آشکارسازهای گازی مخصوصا اتاقکهای یونیزاسیون سیگنال خروجی را میتوان هم از الکترود مثبت هم از الکترود منفی اندازه گرفت، در دو حالت کمّیتی که اندازه گرفته میشود، تغییر در میدان الکتریکی موجود در ناحیه فعال است. بنابراین حرکت الکترونها و یونها هر دو در پالس خروجی مشارکت دارند.
در حضور میدان الکتریکی قوی، یونها به سمت الکترود منفی با سرعتی که بسیار کمتر از الکترونها است حرکت میکنند. توزیع این یونها را میتوان به صورت نسبتا دقیق توسط توزیع گاوسی نمایش داد که به صورت زیر است.
dN=N/√4πDt e^((-〖(x-tV_d)〗^2)/4Dt) dx
که 〖 V〗_dسرعت سوق یونها، که در واقع سرعت تودهی انبوه از یونها که در امتداد خط میدان الکتریکی حرکت میکنند، است. این سرعت بسیار کمتر از سرعت لحظهای یونها است. t زمان سوق یونها است. سرعت سوق پارامتر مهمی است زیرا بیانگر مقدار زمانی است که طول میکشد تا یونها به کاتد برسند و جمع شوند، همچنین معلوم شده است که تا هنگامی که هیچگونه در هم شکستگی3 در گاز اتفاق نیافتد این سرعت متناسب با نسبت میدان الکتریکی به فشار گاز باقی میماند. سرعت سوق توسط فرمول زیر تعریف میشود:
v_d=μ_+ E/P

E میدان الکتریکی اعمال شده، P فشار گاز، μ_+ روان روی یونها در گاز است که به مسیر آزاد میانگین یون در گاز، انرژیای که در اثر برخورد از دست میدهد و توزیع انرژی، بستگی دارد که در یک گاز معلوم برای یک یون خاص، ثابت میماند. ‏جدول (2-1) نشان دهنده روانروی، ضریب انتشار و مسیر آزاد میانگین چند یون را در گازهای خودشان نشان میدهد.
یک رابطه مفید بین روانروی4 و ضریب انتشار وجود دارد که به صورت زیر است:
µ_+=e/KT D_+
که این رابطه رابطهی نرنست – انیشتین5 است، K ثابت بولتزمن و T دمای مطلق است.
برای مخلوطهای گازی، قابلیت روان روی مؤثر، توسط رابطه ‏(2-8) محاسبه میشود، که قانون بلانس6 نام دارد
1/µ_+ =∑_(j=1)^n▒c_j/(µ_+^ij )
n تعداد نوع گاز در مخلوط گازی و µ_+^ij قابلیت حرکت یون i در گاز j ام و c_j غلظت حجم گاز j ام در مخلوط گازی است.
سرعت سوق یونها حدوداً دو یا سه مرتبه کمتر از سرعت سوق الکترونها است، به همین دلیل تجمع بار فضایی اتفاق میافتد که این تجمع، باعث کاهش میدان الکتریکیای که بارها تجربه میکنند و در نتیجه باعث کاهش ارتفاع پالس در الکترود بازخوان میشود.

حرکت الکترونها

اگر میدان الکتریکی یکنواختی بین دو الکترود اعمال شود، الکترونها به دلیل داشتن جرم کم به سرعت شتاب میگیرند و انرژیشان افزایش مییابد. این انرژی به دلیل کم بودن جرمشان خیلی زیاد نیست. الکترونها در برخوردهایشان انرژی از دست میدهند که آن هم کم است و به دلیل این برخوردها انرژی متوسطشان افزایش مییابد و متعاقباً توزیع انرژیشان نمیتواند توسط توزیع ماکسول توصیف شود.
در امتداد خطوط میدان الکتریکی، الکترونها با سرعت V_d حرکت میکنند که معمولاً سرعتشان یک مرتبه کمتر از سرعت گرمایی V_e است. با این حال اندازه سرعت سوق به میدان الکتریکی بستگی دارد. به طور تقریبی وابستگی سرعت سوق به میدان الکتریکی به صورت زیر است [5]:
v_d=(2eEL_mt)/(3m_e ¯v_e )

که L_mt متوسط تکانه الکترونها است.

اثرات ناخالصی بر حرکت بار

اکثر آشکارسازهای گازی، به جای یک گاز با مخلوطی از گازها پر میشوند. درصد گازها در مخلوط، به نوع آشکارساز و کاربرد آن بستگی دارد، علاوه بر اینها آشکارساز دارای ناخالصی نیز است که باعث تنزل عملکرد آن میشود. اکثر این ناخالصیها گازهای پلی اتمی7 مانند اکسیژن و هوا هستند. ناخالصیها دارای تعداد زیادی سطح انرژی لرزشی هستند، بنابراین میتوانند الکترونها را جذب کنند، معمولا این ناخالصیها دارای ضریب جذب الکترونی8 به نسبت زیادی هستند، به همین دلیل باید مد نظر قرار گیرند. مهمترین اثر این ناخالصیها جذب الکترونها و در نتیجه تضعیف سیگنال است.
دو روش برای جذب الکترون9 در آشکارسازهای گازی وجود دارد.
جذب تشدیدی10
جذب تجزیهای11
جذب تشدیدی به صورت زیر است:
e+x ⟶ x^(-*)

که X ملکول گاز و علامت * نشان دهنده حالت برانگیختهی آن است. برای برگشتن به حالت پایه ملکول میتواند انرژیاش را به ملکول دیگری بدهد و یا میتوانند الک
ترونی را ساطع کند.
x^(-*)+s ⟶ x^-+ s^*
x^(-^* )⟶x+e

در اینجاS میتواند هر ملکول گازی در گاز باشد ولی به طور معمول ناخالصیای است که به آن اضافه میشود و گاز خاموش کننده12 نام دارد.

نواحی عملکرد آشکارسازهای گازی

‏شکل (2-1) نواحی مختلف عملکرد آشکارسازهای گازی را که بر حسب ولتاژ اعمال شده است نشان میدهد. یک آشکارساز میتواند در حالتهای مختلف کار کند، که تفاوتش با حالتهای دیگر مقدار بار تولید شده و حرکت آنها در حجم آشکارساز است. انتخاب یک حالت از نوع عملکرد آشکارساز به نوع کاربرد بستگی دارد و معمولاً برای استفاده بهینه از آشکارساز باید از آن در محدودهای از ولتاژهای اعمال شده در واحد ولت که مخصوص یک نوع خاص است، استفاده کرد. نواحی عملکرد آشکارساز در ادامه توضیح داده شده است.

تغییرات ارتفاع پالس تولید شده توسط انواع مختلف آشکارسازها بر حسب ولتاژ اعمال شده. دو نمودار مربوط به دو انرژی مختلف تابش ورودی است.

ناحیه بازترکیب13
در صورت عدم حضور میدان الکتریکی بارهایی که توسط عبور تابش تولید میشوند سریعاً برای تولید ملکول خنثی بازترکیب میشوند. با اعمال ولتاژ بایاس بعضی از بارها شروع به حرکت به سمت الکترودها با بار مخالف میکنند و با افزایش ولتاژ اعمال شده، نرخ بازترکیب کاهش مییابد و در نتیجه جریان عبوری از آشکارساز افزایش مییابد. به دلیل اینکه بازترکیب در این ناحیه محسوس است، جریان اندازهگیری شده در خروجی آشکارساز به طور کامل،انرژیای که تابش به جا گذاشته را مشخص نمیکند. بنابراین برای اندازهگیری خصوصیات تابش کارکرد آشکارساز در این ناحیه بیفایده است.

ناحیه اتاقک یونی14
در ناحیه بازترکیب، بازده جمع کردن جفتهای الکترون-یون با افزایش ولتاژ اعمال شده افزایش مییابد تا جایی که تمام بارهایی که تولید شدهاند جمع شوند. این شروعی برای تعریف ناحیه اتاقک یونی است که افزایش ولتاژ هیچ تأثیری روی جریان اندازهگیری شده ندارد زیرا تمام بارهایی که تولید شدهاند توسط الکترودها جمع شدهاند. جریانی که توسط الکترونیک وابسته در این ناحیه اندازهگیری میشود جریان اشباع نام دارد و با انرژی به جا گذاشته شده توسط تابش ورودی متناسب است، آشکارسازهایی که برای کار کردن در این ناحیه طراحی شدهاند اتاقکهای یونیزاسیون نام دارند.

ناحیه تناسبی15
جفتهای الکترون-یونی که توسط عبور تابش تولید میشوند جزء یونیزاسیونهای اولیه هستند، اگر این بارها انرژی کافی داشته باشند میتوانند جفتهای الکترون-یون دیگر

دیدگاهتان را بنویسید